关于火车的几个力学问题.doc

关于火车的几个力学问题 火车又提速了，我也想到了几个与火车有关的问题。 关于火车制动的问题。 火车运行起来后，具有很大的动能，如果单靠制动装置强制刹车，无疑会造成能源的浪费。因此，应该建造一种存储能量的装置，以便下次起动时再次利用。一个比较简单易行的方法是，将火车停靠处的铁轨建造的高一些。进站时，动能便可以转化为势能，出站时，这部分势能再转化为动能。在这里，利用高度差，暂时储存了巨大的动能。 关于火车过隧道的问题。 五一出去玩，坐火车。过隧道，甚至一些两边钢架比较多的桥时，就会听到很大的噪声。 上网查了 ，有很多高深的道理。我想，这主要因为，隧道中空气的流动性不好，火车快速冲进去，于是隧道内部空气被急剧压缩，就像枪膛里面一样，于是产生很大噪声。 为了解决这个问题，可以在过隧道时适当减速，也可以适当增大隧道的面积（当然，成本会相应的增加），另外，在保证安全的前提下，可以在隧道两侧留一些洞，增加空气流动性。 另一方面，压缩空气还要做功，这又会增加能源的消耗。解决这个问题，可以模仿1中的方法，将隧道也建的高一些。这样，进隧道前，火车减速，对隧道内空气的压缩减弱，出隧道后，又可以利用高度差很快的加速。如此，不仅可以降低过隧道时的噪声，也减少了能源的浪费。 关于火车起动的问题。 有时火车起动前，会先往后倒一下。感觉这样能带起更多的车厢。具体计算一下，设车头质量M，受阻力F，每节车厢质量m，受阻力f，两节车厢间压缩的距离为L,车头提供牵引力T。（以上所设阻力包含火车所受到的各种阻力，所以车头与地面的摩擦力虽然对火车来说是动力，但车头仍受到其他阻力，如空气阻力，车轮轴承处的阻力等） 如果车头不后退直接起动的话，能带起来k个车厢，则应有 ……………………………(1) 再来看车头先后退的情况： 设第n节车厢起动前，前(n-1)节速度达到，刚起动后这n节车厢有共同速度,则对车头与第一节车厢， 由动能定理，有………………………....…..(2) 由动量守恒，有……………………….......(3) 联立以上两式，得 ， ............................................(4) 对前n节与第(n+1)节车厢，同理，有 ...........................(5) ...........................................(6) 由以上两式，得 .............(7) 令，则，上式化为 ................................(8) 对此式叠加，并将代入得 ...........................(9) 显然，只要大于零，就可以继续拉动下一节车厢，所以应有 ，由n的任意性即 ..........................(10) 客车一般可挂20节车厢，为了计算的简单，取F=f,T=15f,M=m,带入（9），（10）式，得 所以n=20,当不后退直接拉时，由（1）式，得 k=14, 即在此种情况下倒退再拉，可多拉6节车厢。 实际上，火车起动时，并不会拉那么多车厢，所以火车能继续加速，先后退一下，用较小的力便可以拉动，这样使起动更容易。 附： 以上都是很浅显的力学在现实生活中的应用。通过这样的思考，确时使我对力学有了多一些的认识。我也发现，将学过的知识运用到实际问题时，会遇到很多问题。任何一个实际问题都是很复杂的，有许许多多因素互相制约，互相影响。我们不得不忽略很多次要因素。只有这样，才能抓住主要的。 物理三班 李冰 P